三层交换机就是具有部分路由器功能的交换机，三层交换机的最重要目的是加快大型局域网内部的数据交换，所具有的路由功能也是为这目的服务的，能够做到一次路由，多次转发。对于数据包转发等规律性的过程由硬件高速实现，而象路由信息更新、路由表维护、路由计算、路由确定等功能，由软件实现。
1.应用背景
出于安全和管理方便的考虑，主要是为了减小广播风暴的危害，必须把大型局域网按功能或地域等因素划成一个个小的局域网，这就使VLAN技术在网络中得以大量应用，而各个不同VLAN间的通信都要经过路由器来完成转发，随着网间互访的不断增加。单纯使用路由器来实现网间访问，不但由于端口数量有限，而且路由速度较慢，从而限制了网络的规模和访问速度。基于这种情况三层交换机便应运而生，三层交换机是为IP设计的，接口类型简单，拥有很强二层包处理能力，非常适用于大型局域网内的数据路由与交换，它既可以工作在协议第三层替代或部分完成传统路由器的功能，同时又具有几乎第二层交换的速度，且价格相对便宜些。
在企业网和教学网中，一般会将三层交换机用在网络的核心层，用三层交换机上的千兆端口或百兆端口连接不同的子网或VLAN。不过应清醒认识到三层交换机出现最重要的目的是加快大型局域网内部的数据交换，所具备的路由功能也多是围绕这一目的而展开的，所以它的路由功能没有同一档次的专业路由器强。毕竟在安全、协议支持等方面还有许多欠缺，并不能完全取代路由器工作。
在实际应用过程中，典型的做法是：处于同一个局域网中的各个子网的互联以及局域网中VLAN间的路由，用三层交换机来代替路由器，而只有局域网与公网互联之间要实现跨地域的网络访问时，才通过专业路由器。
2.三层交换机工作原理
三层交换技术就是二层交换技术＋三层转发技术。传统的交换技术是在OSI网络标准模型中的第二层——数据链路层进行操作的，而三层交换技术是在网络模型中的第三层实现了数据包的高速转发。应用第三层交换技术即可实现网络路由的功能，又可以根据不同的网络状况做到最优的网络性能。
3.三层交换机的优点
a、访问速度快。
b、充分利用现有资源。
c、子网间带宽随意配置。
d、降低网络成本。
e、可实现部分安全机制 ，三层交换机具有访问列表的功能，可以实现不同VLAN间的单向或双向通讯。
4.使用路由器进行VLAN间路由时的问题
现在，知道只要能提供VLAN间路由，就能够使分属不同VLAN的计算机互相通信。但是，如果使用路由器进行VLAN间路由的话，随着VLAN之间流量的不断增加，很可能导致路由器成为整个网络的瓶颈。
交换机使用被称为ASIC（Application Specified Integrated Circuit）的专用硬件芯片处理数据帧的交换操作，在很多机型上都能实现以缆线速度（Wired Speed）交换。而路由器，则基本上是基于软件处理的。即使以缆线速度接收到数据包，也无法在不限速的条件下转发出去，因此会成为速度瓶颈。就VLAN间路由而言，流量会集中到路由器和交换机互联的汇聚链路部分，这一部分尤其特别容易成为速度瓶颈。并且从硬件上看，由于需要分别设置路由器和交换机，在一些空间狭小的环境里可能连设置的场所都成问题。
5.三层交换机（Layer 3 Switch）
为了解决上述问题，三层交换机应运而生。三层交换机，本质上就是“带有路由功能的（二层）交换机”。路由属于OSI参照模型中第三层网络层的功能，因此带有第三层路由功能的交换机才被称为“三层交换机”。
6. 关于三层交换机的内部结构，可以参照下面的简图。
在一台本体内，分别设置了交换机模块和路由器模块；而内置的路由模块与交换模块相同，使用ASIC硬件处理路由。因此，与传统的路由器相比，可以实现高速路由。并且，路由与交换模块是汇聚链接的，由于是内部连接，可以确保相当大的带宽。
7.使用三层交换机进行VLAN间路由（VLAN内通信）
在三层交换机内部数据究竟是怎样传播的呢？基本上，它和使用汇聚链路连接路由器与交换机时的情形相同。
假设有如下图所示的4台计算机与三层交换机互联。当使用路由器连接时，一般需要在LAN接口上设置对应各VLAN的子接口；而三层交换机则是在内部生成“VLAN接口（VLAN Interface）”。VLAN接口，是用于各VLAN收发数据的接口。（注：在Cisco的Catalyst系列交换机上，VLAN Interface被称为SVI——Switched Virtual Interface）
为了与使用路由器进行VLAN间路由对比，让我们同样来考虑一下计算机A与计算机B之间通信时的情况。首先是目标地址为B的数据帧被发到交换机；通过检索同一VLAN的MAC地址列表发现计算机B连在交换机的端口2上；因此将数据帧转发给端口2。
8.使用三层交换机进行VLAN间路由（VLAN间通信）
接下来设想一下计算机A与计算机C间通信时的情形。针对目标IP地址，计算机A可以判断出通信对象不属于同一个网络，因此向默认网关发送数据（Frame 1）。
交换机通过检索MAC地址列表后，经由内部汇聚链接，将数据帧转发给路由模块。在通过内部汇聚链路时，数据帧被附加了属于红色VLAN的VLAN识别信息（Frame 2）。
路由模块在收到数据帧时，先由数据帧附加的VLAN识别信息分辨出它属于红色VLAN，据此判断由红色VLAN接口负责接收并进行路由处理。因为目标网络192.168.2.0/24是直连路由器的网络、且对应蓝色VLAN；因此，接下来就会从蓝色VLAN接口经由内部汇聚链路转发回交换模块。在通过汇聚链路时，这次数据帧被附加上属于蓝色VLAN的识别信息（Frame 3）。
交换机收到这个帧后，检索蓝色VLAN的MAC地址列表，确认需要将它转发给端口3。由于端口3是通常的访问链接，因此转发前会先将VLAN识别信息除去（Frame 4）。最终，计算机C成功地收到交换机转发来的数据帧。
整体的流程，与使用外部路由器时的情况十分相似——都需要经过发送方→交换模块→路由模块→交换模块→接收方。